характеристики сучасних моноімпульсних вториннихоглядових радіолокаторів
1. Типовітактико-технічні характеристики сучасних моноімпульсних вторинних оглядовихрадіолокаторів
Обладнаннямоноімпульсних вторинних оглядових радіолокаторів має задовольняти вимоги,викладені у томі IV «Системи оглядової радіолокації і попередження зіткнень»Додатка 10 до Конвенції про міжнародну цивільну авіацію, а також устандарті Євроконтролю з радіолокаційного спостереження повітряного просторуSUR.ET.1.STO1.1000-STD-01-01. Всі сучасні моноімпульсні вторинні оглядовірадіолокатори, назви яких наведені у вступі до цього навчального посібника,задовольняють вимоги, що містяться у зазначених документах із певнимперевищенням окремих показників.
Згідно іззазначеними вище вимогами несуча частота сигналів запиту має бути fзап = (1030±0,1) МГц із прямовисноюполяризацiєю випромінюваних радіохвиль. Для вторинних радіолокаторів, щопрацюють у селективних режимах, встановлені більш жорсткіші вимоги достабільності несучої частоти fзап = 1030±0,01 МГц, оскільки в цьомувипадку у запитах бортових відповідачів використовуються сигнали з відносноюфазовою модуляцією. Сигнали відповіді мають передаватися на несучій частотіfВІДП = 1090±3 МГц також з прямовисною поляризацією. У селективному режимістабільність несучої частоти має бути підвищена до ±0,1 МГц, щоб під часприймання сигналів моноімпульсним методом не виникали додаткові похибкивнаслідок фазової й амплітудної неузгодженості сумарного і різницевого каналівз нестабільною несучою частотою відповідачів.
Проміжна частотау всіх моноімпульсних ВРЛ дорівнює fпр = 60 МГц. Такий вибірпроміжної частоти обумовлений необхідністю раціональної побудови апаратуризапитувачів приймача-передавача.
Оскільки в цьомувипадку
моноімпульснийоглядовий радіолокатор антена
fпр = fВІДП – fзап = (1090–1030) МГц,
то збуджувачпередавача, який працює на частоті 1030 МГц, може одночасно виконувати іфункції гетеродина приймача, що не тільки покращує економічні показникизапитувача, але і підвищує стабільність його проміжної частоти.
Найбільша частотаповторення сигналів запиту Fпз має становити 500 Гц. Для запобіганнязайвих запусків відповідачів необхідно встановлювати мінімально можливу частотуповторення запитів, припустиму з погляду одержання прийнятних характеристикусієї системи з урахуванням швидкості обертання антени й ширини її ДН. Дляселективних систем вторинної радіолокації, з огляду на ту обставину, що уприйманні сигналів відповіді у них використовується моноімпульсний режимроботи, гранична частота запитів істотно знижена. Частота повторення запитівзагального виклику в режимах RBS і S й УВД і S має складати не більше250 Гц. Теж саме стосується і запиту загального виклику режиму S. У всіхрежимах запиту має використовуватися найменша можлива частота повтореннясигналів запиту. Запити режиму S, що скеровані одному адресату і потребуютьвідповіді, повинні випромінюватися з інтервалом не менше 400 мкс.
У більшостісучасних моноімпульсних ВРЛ, які працюють у режимах RBS, передбачена можливістьустановки частоти запиту в межах 100…450 Гц із внутрішньою або зовнішньоюсинхронізацiєю. Для зменшення рівня взаємних завад передбачена вобуляціяперіоду повторення запитів у межах до 12,5%. Вобуляція періоду повтореннядозволяє перевести синхронні взаємні завади до розряду несинхронних, що значнополегшує процес їхнього придушення.
У всіхмоноімпульсних ВРЛ передбачене автоматичне перемикання режимів запитів. Можливаустановка режимів 1, 2, 3/А, С, 3К1, 3К2, 3К3, суміщеного режиму RBSі УBД, режимів 4 і S. Режими 1 і 2 із кодовими інтервалами між імпульсамизапиту 3 і 5 мкс мають військове призначення і використовуються длярозпізнавання ПС у несекретних системах “свій – чужий” (IFF – IdentificationFriend or Foe). Для цивільних цілей ці режими не використовуються. Військовийрежим 3 має точно таке саме призначення, як і режим А в системі RBS, тобтовикористовуються для індивідуального розпізнавання військових і цивільних ПС.Режим 4 є секретним військовим режимом закордонних країн і використовуєтьсятільки у ВРЛ подвійного призначення. Режим С призначений для запитубарометричної висоти в системах RBS. Режими 3К1, 3К2, 3К3 і суміщені режими RBSі УВД мають обмежене застосування і використовуються тільки в країнахколишнього СНД. Багато сучасних моноімпульсних ВРЛ можуть працювати вселективних режимах S або за своїми технічними характеристиками пристосовані дооперативного переходу до режиму S.
Передбаченечергування режимів, яке може бути одиничним (х, х, х,...), подвійним (х, у; х,у; х, у;...) або потрійним (х, х, у; х, х, у;...); (х, у, z; х, у, z і т.д.),де х, у, z – заздалегідь обрані режими. Можливе автоматичне перемикання чергуваннярежимів від сканування до сканування, тобто від одного оберту антени до іншого.Період огляду простору в сучасних моноімпульсних ВРЛ може змінюватися в широкихмежах. В улаштованих ВРЛ період огляду простору визначається первиннимрадіолокатором. Для автономних вторинних радіолокаторів типовими значеннямиперіоду огляду є 4…10 с. Неузгодження електричних осей первинних івторинних антен в єдиному радіолокаційному комплексі припускається до 6 кутовихмінут, а під час роботи ВРЛ в автономному режимі – до 0,5°. Ширина ДН антенизапитувача у поземній площині згідно з встановленими нормами не повиннаперевищувати 5°. У сучасних моноімпульсних ВРЛ ширина ДН сумарної антенизазвичай обирається у межах 2,35…2,4°. Рівень бокових пелюсток ДН у порівнянніз головною пелюсткою антени зазвичай не перевищує –28 дБ (за нормою –24дБ).
Розділоваздатність і точність моноімпульсних вторинних оглядових радіолокаторів набагатоперевищує встановлені норми. Згідно з нормами розділова здатність за дальністюδr не повинна бути більше 1 км, а за азимутом (δφ) – більше 1,2ширини ДН антени на рівні 0,7 за напруженістю електромагнітного поля. Усучасних моноімпульсних ВРЛ відповідні експериментальні дані лежать у межахδr = 45...110 м, δφ = 0,45...0,66°.
Оскількирозділова здатність, так само, як і точність, це статистичний параметр і дотого ж обумовлений багатьма чинниками, як наприклад, взаємним розташуваннямцілей за дальністю й азимутом, відстанню ПС до радіолокатора, частотою запитів,програмою чергування кодів запиту, наявністю завад, відношенням сигнал/шумтощо. Більш об’єктивну характеристику розділової здатності радіолокаторів даютьдані, отримані на випробуваннях моноімпульсних радіолокаторів типу IRS-20MP/L.
Розрізняютьрозділову здатність вторинних радіолокаційних систем у задачах визначеннякоординат ПС і в задачах отримання додаткової інформації, переданої задопомогою кодових сигналів відповіді.
Для координатноїрозділової здатності знайдено, що за умови потрапляння двох цілей, оснащених відповідачами,у просторове вікно з розмірами 0…93 м за відстанню і 0…0,6° за азимутом,імовірність окремого визначення координат цілей буде не гірше 60%. Якщо розміривікна складають за відстанню 93 м…3,7 км, а за азимутом залишаються утих самих межах, тобто від 0 до 0,6°, то ймовірність окремого визначеннякоординат цілей буде не гірше 98%. Якщо вікно за відстанню не перевищує 3,7 км, а вікно за азимутом має розміри 0,6…4,8°, то ймовірність окремого визначення положення двох цілей,що знаходяться в цьому вікні, буде також не гірше 98%.
Для інформаційноїрозділової здатності знайдено, що за умови потрапляння двох цілей у просторовевікно з розмірами 0…93 м за відстанню і 0…0,6° за азимутом, ймовірністьдостовірного дешифрування сигналів додаткової інформації під час роботизапитувачів і відповідачів у режимах 3/А й С буде не менше 30%. Той самийпоказник для вікна 93 м…3,7 км за відстанню і 0…0,6° за азимутомскладає не менше 90%, а для вікна 0…3,7 км за відстанню і 0,6…4,8° за азимутом– не менше 98%.
Аналогічнізалежності для радіолокатора Condor 2 MSSR наведені на рис.1. Дані отримані длявипадку розташування у просторовому вікні двох цілей, ймовірність відповідіяких на запит дорівнює 0,9, швидкість обертання антени запитувача дорівнює15 об/хв, частота запитів – 150 Гц, а ймовірність правильного декодуванняінформації відповіді у нормі.
Точністьвизначення координат моноімпульсним ВРЛ визначається як різниця між вимірюванимположенням оцінки цілі і справжнім її розташуванням у момент виявлення цілі.Точність визначається як систематичною складовою випадкової похибкивимірювання, так і грубими помилками (Jumps).
/>
Згідно зістандартом Євроконтролю систематичні похибки для моноімпульсних ВРЛ не повинніперевищувати 100 м за похилою відстанню, 0,1° за азимутом, а приріст похибки завідстанню залежно від відстані до цілі не повинний перевищувати одного метра наодну морську милю. Реальні дані, отримані під час точнісних випробувань значноїкількості моноімпульсних радіолокаторів різних типів, у більшості випадків набагато краще зазначених вище норм. Систематичні похибки за відстанню лежать умежах 15...30 м, за азимутом – у межах 0,02...0,05°, а приріст похибки залежновід відстані до цілі – менше одного метра на одну морську милю.
Для випадковихсередніх квадратичних похибок установлені норми: за відстанню 70 м, за азимутом 0,08°. Після випробувань отримані такі дані: похибки за відстанню лежать у межах15...30 м, за азимутом – 0,0..0,05°. Нормами встановлено, що похибки фіксаціїмоменту часу, коли відбулося виявлення цілі, не повинні перевищувати 100 мс.Експериментальні дані підтвердили цей час.
Одним ізпоказників, що характеризує точність ВРЛ, є грубі помилки у визначеннікоординат цілей. До них належать такі випадкові помилки, коли похибка увизначенні дальності перевищує 700 м, а азимуту – 1°. Згідно з нормамиЄвроконтролю такі помилки повинні зустрічатися не частіше 0,05% від усіхвипадків локалізації цілей. Експериментальні дані підтвердили наведені значенняпохибок.
Важливимпараметром, що характеризує якість роботи ВРЛ, є відносна кількістьнеправильного дешифрування кодових сигналів прийнятої додаткової інформації.Згідно з нормами воно не повинно перевищувати 0,2% і при цьому повиннорівномірно розподілятися між кодами 3/А й С, тобто 0,1% для режимів 3/А й 0,1%для режиму С. Експериментальні дані свідчать про виконання цих норм усімасучасними вторинними моноімпульсними радіолокаторами.
Стандартомколишнього Радянського Союзу і країн СНД встановлені деякі норми, щохарактеризують надійність ВРЛ. Для запитувачів середній час наробітку навідмову має бути більше 4000 год. Технічний ресурс радіолокатора має бутибільше 100 тис. год або термін служби – 12 років. Середній час наробіткубортового обладнання на відмову в польоті і на землі має бути не менше 5000 годтехнічний ресурс – не менше 10 тис. год до першого капітального ремонту.
Сучаснімоноімпульсні ВРЛ мають більш високі показники надійності, ніж це передбаченонормами. Так, наприклад, у радіолокатора SIR-S середній наробіток на відмову заумови двоканальної роботи складає 33 260 год (за одноканальної роботи –3170 год), у радіолокатора Condor2 – 141 420 год за умови двоканальноїроботи (за одноканальної – 27 630 год), у радіолокатора MSSR/Mode SNorthrop Gramman – 10 тис. год за одноканальної роботи.
2. Параметри,що визначають зону виявлення моноімпульсних вторинних оглядових радіолокаторів
На відміну відпервинних радіолокаторів у вторинній радіолокації дальність дії визначаєтьсясистемою рівнянь:
/>,(1)
де R3 – дальністьдії вторинної радіолокаційної системи за запитом; RВІДП – дальність діївторинної радіолокаційної системи за відповіддю; P3 – імпульсна потужністьзапитувача; РВІДП – імпульсна потужність відповідача; G3 – коефіцієнтпідсилення антени запитувача; GВІДП – коефіцієнт підсилення антени відповідача;PПРmin3 – чутливість приймача запитувача; PПРminВІДП – чутливість приймачавідповідача; SАВІДП – ефективна площа антени відповідача; SА3 – ефективна площаантени запитувача; L∑ 3 – сумарні втрати потужності за запитом; L∑ВІДП – сумарні втрати потужності за відповіддю.
З огляду на те,що
/>,
система рівнянь(1) може бути приведена до більш зручного вигляду
/>,(2)
де λ 3 –довжина хвилі при роботі системи за запитом; λВІДП – довжина хвилі під часроботи системи за відповіддю.
З енергетичноїточки зору система вторинної радіолокації вважатиметься оптимальною, коли R3 =RВІДП, тобто коли
/>.
З огляду на те,що /> і />, одержуємодля оптимальної системи
/>.
Оскільки,вторинна радіолокаційна система складається з наземного і бортового обладнання,і обидві ці частини взаємозалежні, державні стандарти і рекомендації ICAO іЄвроконтролю встановлюють норми не тільки на тактичні, але і на технічніпараметри ВРЛ і відповідачів.
Для зменшеннярівня внутрішніх системних завад державним стандартом і міжнародними нормамирекомендується обирати ефективну випромінювану потужність запитувача, тобтодобуток />,такий, щоб вона не перевищувала мінімуму для забезпечення необхідної зониогляду. Для запобігання зайвих запусків відповідачів і зменшення кількостінесинхронних відповідей в оглядових ВРЛ повинна бути передбачена можливістьоперативного зменшення ефективної випромінюваної імпульсної потужності. Длязапитувачів, які працюють у селективних режимах, ефективна випромінювана потужність/> неповинна перевищувати 58,5 дБ/Вт на кутах місць більших за мінус 1°,обмежуючи потужність випромінювання до 52,5 дБ/Вт нижче радіообрію. Чутливістьприймального пристрою оглядового радіолокатора з відношенням сигнал/шум0 дБ повинна бути не гірше мінус 122 дБ/Вт (6,31∙ 10-13Вт).
Згідно зістандартом потужність передавача в імпульсі бортового відповідача має бути неменше 300 і не більше 800 Вт. Документ ICAO і державний стандарт длявідповідачів, які працюють у селективних режимах, дають більш коректнурекомендацію з цього приводу: пікова вихідна потужність кожного імпульсувідповіді, вимірювана на клемах антени, тобто за відрахуванням усіх втрат уфідерному тракті, має лежати в межах 21…27 дБ/Вт (126…501 Вт). На висотах до 4570 м за тих самих умов дозволено мати пікову потужність у межах 18,5…27 дБ/Вт (71…501 Вт).
Чутливістьприймача відповідача за 90%-им спрацьовуванням згідно зі стандартом повинна складатимінус 104±4 дБ/Вт, тобто лежати у межах 1,58×10-11 …10-10 Вт. Длявторинних каналів на частотах 835, 837,5 і 840 МГц вона має дорівнювати мінус66±2 дБ/Вт, тобто лежати в межах 0,25×10-6…0,4×10-6 Вт.
Для відповідачіву селективних режимах чутливість приймача прийнято ставити в залежність відзаданого відсотка відповідей. При цьому враховуються тільки правильні відповідіз даними, які відповідні типу запиту. Для запитів у режимах RBS і УBД, запитівзагального виклику і запитів режиму S мінімальний граничний рівень дляприймачів селективних відповідачів повинний визначатися в залежності відмінімального вхідного рівня потужності, яка забезпечує 90%-ну ймовірністьвідповіді, і повинний складати мінус 104/>3 дБ/Вт, тобто лежати у межах 2∙10-11…7,94∙10-11Вт. У цьому випадку чутливість приймачів також, як і вихідну потужністьпередавача відповідача, вимірюють на вихідних (вхідних) клемах антени.
Для сучаснихмоноімпульсних ВРЛ і відповідачів характерні такі значення параметрів, щовизначають їхню максимальну дальність дії:
– імпульсна потужністьпередавача запитувача P3 лежить у межах 1,6…5,4 кВт із ймовірністюоперативного східчастого змeншення на 3,6 і 12 дБ ;
– імпульснапотужність передавача бортового відповідача PВІДП у більшості випадків лежить умежах 126…500 Вт;
– чутливістьприймачів запитувачів PПРmin3 орієнтовно дорівнює мінус 110…120 дБ/Вт з коефіцієнтомшуму Кш 9…5 дБ;
– чутливістьприймачів відповідачів РПРminВІДП дорівнює мінус 100…104 дБ/Вт із ймовірністюоперативного погіршення при перевантаженні відповідача зайвими частимизапитами;
– коефіцієнтпідсилення антени запитувача G3 дорівнює 27…29 дБ;
– коефіцієнтпідсилення антени відповідача GВІДП дорівнює приблизно 0 дБ;
– загальнийкоефіцієнт втрат потужності у фідерному тракті запитувача Lф 3 орієнтовнодорівнює 4,5 дБ;
– загальнийкоефіцієнт втрат потужності у фідерному тракті відповідача Lф ВІДП орієнтовнодорівнює 3 дБ;
– максимальнадальність дії вторинних моноімпульсних систем за запитом і відповіддю Rmax з іPmax ВІДП зазвичай лежить у межах 400…500 км для ПС, які знаходяться на висоті 12000 м;
– інструментальнадальність дії Rmax інстр, обумовлена в першу чергу параметрами апаратуриобробки прийнятої інформації, встановлюється зазвичай на рівні 256 морськихмиль (470 км).
Такий параметр,як максимальна дальність дії вторинної радіолокаційної системи, дає лишеорієнтовні уявлення про інформаційні можливості радіолокатора. Більш повну уявув цьому плані дає така характеристика радіолокатора, як його зона виявлення,тобто простір, у межах якого радіолокатор виявляє цілі з імовірніснимихарактеристиками не гірше заданих. Стосовно вторинної радіолокації поняття прозону виявлення дещо змінюється: замість ефективної відбиваючої площі цілівводяться параметри відповідача, визначається зона виявлення не тільки зазапитом, але і за відповіддю, крім зони виявлення за координатами визначаєтьсятакож зона прийому додаткової польотної інформації із заданою ймовірністюправильного відтворення переданої інформації за певних умов завадовоїобстановки.
За основу длявизначення зони виявлення вторинної радіолокаційної системи зазвичайприймається розрахунок потужності, що надходить на вхід приймача відповідачаРПР ВІДП у запиті або на вхід приймача запитувача РПР 3 на відповіді у функціївідстані між радіолокатором і ПС R і кута місця q°, під яким знаходиться ПС:
на запиті />;
на відповіді />.
Далі обраховуютьперевищення М прийнятої потужності над чутливістю відповідного приймача PПp minВІДП і PПp min 3 :
на запиті />;
на відповіді />
Останньоюоперацією призначають граничні значення М3 пор і МВІДП пор, у межах яких забезпечуютьсянеобхідні ймовірності виявлення цілей і правильного декодування кодівдодаткової інформації сигналів відповіді. Одночасно провадиться визначеннявідповідних граничних значень максимальної дальності дії Rmax 3 і Rmax ВІДП іпобудова зон виявлення за запитом і відповіддю в координатах дальність R –висота Н з наведенням кутів місця q.
Розрахунокприйнятої потужності провадиться відповідно за наступними виразами, які зазналинезначних змін в порівнянні з виразами (2)
/>. (3)
У виразах (3)прийняті такі позначення />і />, С – швидкість поширення світла;f3=1030 МГц; fВІДП =1090 МГц; LЗГАС(R) – втрати потужності череззгасання радіохвиль в атмосфері у функції відстані R; /> LРОЗС(R) – втрати потужностічерез розсіювання радіохвиль в атмосфері у функції відстані; LФ З – втратипотужності у фідерному тракті запитувача; LФ ВІДП – втрати потужності уфідерному тракті відповідача; L∆G(q) – втрати потужності, пов'язані зізменшенням коефіцієнта підсилення антени запитувача залежно від кута місця впорівнянні з максимальним коефіцієнтом підсилення G3 антени.
Передбачається,що коефіцієнт підсилення антени відповідача за реальних умов не залежить відкута місця.
Для зручностірозрахунків рівняння (3) зазвичай записують в логарифмічній формі і всізначення величин, які входять до цих рівнянь, підставляють у децибелах. Лінійнірозміри R і λ проставляють в однакових одиницях, наприклад, у км.
Тоді
/>
/>
Відповідніперевищення М будуть записані в цьому випадку в такий спосіб:
/>;
/>.
Як приклад нарис. 2 наведені результати розрахунку перевищення потужності, прийнятоїбортовим відповідачем (криві 1 і 3), і потужності, прийнятої запитувачем (криві2 і 4), над рівнем потужності, відповідній чутливості приймача відповідача ічутливості приймача запитувача. Криві 1 і 2 належать випадку, коли коефіцієнтпідсилення антени запитувача дорівнює максимальному значенню 27 дБ [L∆ G(q) = 0 дБ], а криві 3 і 4 –коли кут q відрізняється від кута місця максимуму ДН антени у прямовисній площині,на -7°.Змінення коефіцієнта підсилення антени запитувача тут дорівнюватиме -6 дБ [L∆G(-7о)= –6 дБ].
/>
Як вихідні дані уцьому випадку приймалися такі найбільш характерні для моноімпульсних ВРЛ івідповідачів значення:
Р3 = 4 кВт (36дБ/Вт);
РВІДП = 300 Вт(24,8 дБ/Вт);
G3 = 500 (27 дБ);
GВІДП =1 (0дБ);
λ3 = 29,126.10-5 км (-35,36 дБ);
λВІДП =27,523•10-5 км (-35,6 дБ/км);
LФ 3 = 2,82 (4,5дБ);
LФ ВІДП = 2 (3дБ);
РПРmin ВІДП =10-10 Вт (-100 дБ/Вт);
РПРmin 3 =1,26•10-11 Вт (-109 дБ/Вт).
Значення втрат,пов'язаних із згасанням LЗГАС (R) і розсіюванням LРОЗС(R) радіохвиль ватмосфері у функції відстані між радіолокатором і ПС, подані на рис.
/>
Втрати потужностічерез зменшення диференціального коефіцієнта підсилення антени запиту привідхиленні кута місця Δθ від його значення, коли коефіцієнтпідсилення має максимум, можна визначити за ДН сумарного променя антени упрямовисній площині, показаної на рис.4. Подана на рисунку ДН належить антеніCSL-M моноімпульсного вторинного радіолокатора IRS-20MP/L фірми Indra. Діаграмає типовою для більшості антен сучасних моноімпульсних вторинних радіолокаційнихстанцій.
/>